JP2005505888A - Semiconductor memory device in which magnetoresistive memory cell is arranged at intersection of word line and bit line - Google Patents

Semiconductor memory device in which magnetoresistive memory cell is arranged at intersection of word line and bit line Download PDF

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Abstract

半導体記憶装置(2)の記憶セルアレイでは、記憶素子、より正確には磁気抵抗効果を有する記憶セル(1)の特徴は、硬磁性記憶層(10)および軟磁性検出層(11)の弱い磁化軸(30・31)が交差していることにある。硬磁性層(10)の磁化軸(30)は、この層に接続された線(例えばビット線(9))に対して平行である。磁化軸(31)は、軟磁性層に接続された線(例えばワード線(8))に対して平行である。平行な線を有する各軸は、互いにほぼ垂直であることが好ましい。交流電圧源(51)または交流電流源(50)を介して、電圧信号または電流信号を、各選択された線(例えばワード線(8))に流す。これにより、軟磁性層(11)の磁化方向(21)が、弱い磁化軸(31)から正弦波の形状にずれる。この結果、供給された信号とともに、記憶セルの磁気抵抗も変わる。硬磁性層(10)の磁化方向(20)に応じて、この信号を、可変抵抗によって同相または逆相に調節する。この結果、生じた測定信号からなる構成成分として、例えば符号の付いた直流電圧および第1調波を検出できる。この符号は、記憶情報を送受信する。In the memory cell array of the semiconductor memory device (2), the memory element, more precisely, the memory cell (1) having a magnetoresistive effect is characterized by the weak magnetization of the hard magnetic memory layer (10) and the soft magnetic detection layer (11). The axis (30/31) intersects. The magnetization axis (30) of the hard magnetic layer (10) is parallel to the line connected to this layer (for example, the bit line (9)). The magnetization axis (31) is parallel to a line (for example, the word line (8)) connected to the soft magnetic layer. Each axis having parallel lines is preferably substantially perpendicular to each other. A voltage signal or current signal is passed through each selected line (eg, word line (8)) via an AC voltage source (51) or AC current source (50). Thereby, the magnetization direction (21) of the soft magnetic layer (11) shifts from the weak magnetization axis (31) to a sine wave shape. As a result, the magnetoresistance of the memory cell changes with the supplied signal. Depending on the magnetization direction (20) of the hard magnetic layer (10), this signal is adjusted in phase or in phase by a variable resistor. As a result, for example, a DC voltage and a first harmonic with a sign can be detected as the constituent components of the generated measurement signal. This code transmits and receives stored information.

Description

【0001】
本発明は、ワード線とビット線との交差点に磁気抵抗記憶セルが配置された半導体記憶装置、および、この記憶セルの情報内容を評価するための方法および回路構造に関するものである。この磁気抵抗記憶セルは、1つの第1磁化軸を有する少なくとも1つの第1磁性層(ersten magnetischen Schicht)、1つの絶縁層、および、1つの第2磁化軸を有する1つの第2磁性層からなる積層からなる。
【0002】
磁気抵抗を有する不揮発性記憶セル(MRAM記憶セルとも呼ばれる)は、通常、強磁性材料とそれらの間に位置する絶縁層との組み合わせからなる積層を備えている。この絶縁層を、トンネル誘電体とも呼ぶ。この場合、記憶効果は、磁化を変えることのできる1つまたは複数の記憶セルの電気抵抗、つまり記憶セルに存在する。
【0003】
これらの強磁性材料の各層には、1つの磁化軸があり、これらの磁化軸は、互いに平行に配置されているので、各層は、磁化方向を2つ設定することができる。つまり、記憶セルの磁化状態に応じて、磁性層の磁化方向を平行または反平行にすることができる。これら相互の方向に応じて、記憶セルの電気抵抗は異なる。この場合、磁化方向が平行であれば記憶セルの電気抵抗は低くなり、磁化方向が反平行であれば抵抗は高くなる。
【0004】
通常、これらの層の形成を、誘導磁界の影響によって、二つの強磁性層のうちの1つだけの磁化状態が変わる一方、もう1つの層の状態は時間が経っても変わらない(つまり、セルの基準磁化方向として機能する)ように行う。
【0005】
また、絶縁層の厚さは、例えば約1〜3nmであってもよい。この層システムの導電率は、主に、この層システムの絶縁層トンネル効果によって規定される。トンネル絶縁層の厚さが変わると、導電率は大幅に変わる。なぜなら、絶縁層の厚さが、ほぼ指数的にトンネル電流に影響するからである。
【0006】
このような記憶セルへの書き込みは、電流を用いて行われる。そのために、記憶セルは、交差した2つの導体を備えるように形成されている。これらの導体を、以下では、ワード線またはビット線と呼ぶ。導体の交差点には、磁性層およびトンネル誘電体層からなる上記積層が、それぞれ1つずつ備えられている。この両方の導体を介して電流が流れ、この電流は上記積層にそれぞれ1つの磁界を形成する。これら複数の磁界が重なり合って生じる磁界は、各磁性層に影響を与える。各磁界の強さが十分に大きいと、磁界にさらされたこれらの磁性層の磁化が反転する。
【0007】
また、記憶セルの内容を評価するための読取り方法を、複数検討することができる。例えば、セル抵抗を直接評価し(direkte Bewertung)、場合によってはそれに続いて、例えば他の1つのセルの基準抵抗と比較することができる。ここでは、しかし、隣接するセルのトンネル酸化物の厚さに応じて、磁気抵抗の測定値の差が10〜20%以上生じてしまうという、パラメータの変動を引き起こす。
【0008】
別の方法として、直接(direkt)読取を切り替えることもできる。この場合、記憶セル抵抗を決定するために電流測定を行っている間、この記憶セル抵抗を上げることにより、セル内容の磁化反転(つまり再プログラミング)を行う。この場合、セルの磁化状態が既知である場合、抵抗を変えるために電流の強さを変えると、電流を流す前まで磁化状態は既知である。これと同じことが、電流の強さを変えなかった場合にも当てはまる。しかし、電圧が低い場合、セル抵抗が高いと、予期される電流の変化が千分の一の程度にしか生じない(つまり検出が困難である)、という不都合が生じる。しかしながら、そもそも、この読取り方法は、破壊的である。つまり、抵抗を変化させる場合、読取り工程の前に記憶セル内容を復元する必要がある。
【0009】
他の方法(Moeglichkeit)については、DE 199 47 118 A1に開示されている。順に、2つの電圧をそれぞれキャパシタに蓄積する。これらの電圧の値は、プログラミングまたはスイッチングを試みる前後の記憶セルの抵抗に応じて決まる。これらの電圧を、特定の他の抵抗によってそれぞれ規定することにより、例えば、差動増幅器において比較することができる。プログラミングの試みが功を奏する場合にのみ、キャパシタに格納される、異なる電圧が得られる。しかし原則的には、ここでも不都合が生じる。つまり、破壊的な読取り方法であるので元々の記憶装置の内容を再び書き込む必要があり、また、再読取りが複雑なので、時間およびエネルギーを浪費してしまう。さらに、この解決策は、選択されなかったワード線およびビット線を通る電流によって、寄生効果(parasitaerer Effekte)を低減できるのだが、これによりセルアレイの大きさは必然的に限定されてしまうという、欠点を有する。
【0010】
上記従来技術を前提として、本発明の目的は、磁気抵抗記憶セルを備えた半導体記憶装置およびその駆動方法を提示することにある。この方法を用いて、上記不都合を回避できる。特に、記憶セルまたは記憶セルアレイを、寄生効果を回避して、早くて正確かつ信頼できるように評価できる。
【0011】
この目的を、磁気抵抗記憶セルがワード線とビット線との交差点に配置された、半導体記憶装置によって解決する。この磁気抵抗記憶セルにはこの磁気抵抗記憶セルには、それぞれ、1つの第1磁化軸を有する1つの第1磁性層と、1つの第2磁化軸を有する1つの第2磁性層と、それらの層の間に配置された1つの絶縁層とが、少なくとも含まれている。この磁気抵抗記憶セルの特徴は、第1磁性層が硬質の強磁性材料から形成されており、第2磁性層が軟質の強磁性材料から形成されており、第1磁化軸と第2磁化軸とは、ワード線およびビット線の広がる面に投影されると、交差していることにある。この目的を、半導体記憶装置の駆動方法によって解決する。
【0012】
本発明の他の形態については、従属請求項に示す。
【0013】
これらの磁気抵抗記憶セルは、記憶セルアレイのワード線とビット線との交差点に、これらの線間にそれぞれ配置される、TMR(トンネル磁気抵抗)素子、GMR(巨大磁気抵抗)素子、または、これらと類似した記憶素子を含んでいる。本発明にしたがって、これらの素子は、硬磁性層と、例えば絶縁層である薄いトンネル酸化物障壁によって硬磁性層から分離された、軟磁性層とを含んでいる。硬質の強磁性層(hartmagnetische ferromagnetische Schicht)の特性は、外部から供給された磁界をOFF状態にしたときに、残った磁化(いわゆる残留磁化)が存在している、つまり、磁気ヒステリシスが存在するという点にある。
【0014】
また、軟質の強磁性層は、小ヒステリシス曲線(つまりほんのわずかな残留磁気およびそれに相当する小さな保磁力(coercive field strength)によって規定されている。したがって、この層は、本発明では、硬磁性層のように磁界の供給(例えば、ワード線および/またはビット線を通って電流を流すこと)によってオンオフすることができる記憶層として機能せず、硬磁性層に格納された情報を読取る(つまりこの層中の(残留)磁化を方向付ける)ための検出層として機能する。軟磁性層中の非常にわずかな残留磁化は、読取り結果には影響を与えない。したがって、外部妨害領域(externe Stoerfelder)を介して軟磁性層の磁化が変化しても、まったく重要でない(kaum eine Rolle spielen)ことが好ましい。
【0015】
これらの磁性層は、1軸の異方性(つまり、それぞれの弱い磁化軸)を有している。これらの層では、実際の磁化方向は、軸に沿って軸と同じ方向、あるいは、軸とはまったく逆の方向を示している。本発明にしたがって、両方の層の両方の軸は、ビット線およびワード線によって規定される面において交差しており、従来の場合のように互いに平行ではない。これらの軸は、互いに垂直に位置していることが好ましい。軟磁性層の磁化軸は、この層の磁化方向を例えばワード線の電流の流れによって誘導される外部磁界から影響を受けることができるように、方向付けられている。この影響により、磁化軸に沿った安定して配置された軟磁性層の磁化方向がずれる(つまり回転する)。このとき、磁化方向は、磁化の不安定な位置(Konfiguration)を示す、軟質のまたは硬質の磁化軸との角度を形成する。
【0016】
したがって、本発明の有効な形態では、軟磁性層の磁化軸は、接続されたワード線に対してほぼ平行に配置されている。また、傾斜した配置も可能である。ワード線に対して磁化軸をほぼ垂直に配置することによって初めて、強い磁化軸の(zu)角度方向に実際の磁化がずれないようにすることができる。
【0017】
本発明が、上述のビット線およびワード線の機能を相互に交換して配置しても機能するということが、論理的に理解できる。この場合についても、本発明に含める。
【0018】
記憶層の1軸の異方性を、記憶素子の磁界中での堆積/熱処理、および/または、この記憶素子の形状によって規定する。特に、反強磁石(Antiferromagnet)(いわゆる固定層(Pinning Layer))を必要としない。
【0019】
本発明の効果は、記憶素子の様々な抵抗の検出に基づいている。この検出は、軟磁性層の磁化方向に直接影響を及ぼす磁界の変化が生じる、例えばワード線に電流を流す場合に、硬磁性層の磁化方向に応じて情報内容を読取るときに行われる。これにより、軟磁性層の磁化方向をずらす。正確には、平行または反平行の方向に、硬磁性層の磁化方向に合わせて、軟磁性層の磁化方向をずらす。これら相互の方向に応じて、電流測定または電圧測定によって検出される素子の磁気抵抗を変える。
【0020】
本発明の特に有効な他の形態では、ワード線を介して流れる電流を、好ましくは、正弦波曲線の形状を有する交流電流として、時間によって変える。この電流は、交流磁界(magnetisches Wechselfeld)を、検出層の強い磁化方向に対して平行に形成する。これにより、軟磁性層の磁化を、弱い磁化方向から、磁界と同じ位相にずらす。このときの角度は、軟磁性層およびワード線の磁化軸を平行に配置した場合には、最大90°であってもよい。
【0021】
強い磁化方向によって磁化が直線的に変化し、この変化がヒステリシスではないので、軟磁性層の磁化と外部磁界とは、同位相である。同様に、軟磁性層の磁化は、飽和磁界の強さ(保磁力、異方性磁界の強さ)未満で、磁界振幅するように正弦波の形状で変化するが、この保磁力を上回る磁界振幅が生じたときには飽和状態になる(図3参照)。この結果、長方形の形状をした磁化形状が生じる。さらに、長方形の形状をした信号曲線も、本発明によって評価できるが、測定される電流信号または電圧信号の振幅は、この保磁力を上回る磁界振幅が生じたときには、もはや増大できない。
【0022】
したがって、交流電流の周波数によって、磁気抵抗RMRも変わる。
【0023】
MR=R+(1/2)ΔR(1±cosα)=R+(1/2)ΔR(1±sinφ)
記号+および−は、硬磁性層の磁化方向の二つの可能な状態である。αは、硬磁性層の磁化方向と軟磁性層の磁化方向との間の角度である。φ=(n/2)−αは、外部磁界の位相角である。ΔRは、磁化の、平行の方向状態と反平行の方向状態との磁気抵抗の違いを示しており、その値は、通常、RMRの10%〜30%である。
【0024】
交流磁界(Wechselfeldes)の磁界振幅がこの層の保磁力未満である場合、硬磁性層中の記憶情報は確実に保持される。硬磁性層の保磁力が軟磁気層の保磁力よりもはるかに大きく(この大きさの場合は磁界振幅を選択することが好ましい)、かつ、本発明の読取り方法では磁界が記憶素子に影響することはないので、この条件を簡単に実現できる。
【0025】
読取り用に、変化する電圧または変化する電流を、例えば実際に選択されたワード線に供給し、適切に選択された、記憶セルの磁気抵抗よりもはるかに低い他の抵抗を用いて、グラウンド電位に接続する(verbunden)。半導体記憶装置は、さらに、交流電圧源または交流電流源を含んでいる。他の抵抗を選択することにより、ワード線および記憶素子中の信号に関して(auf)、記憶素子での電圧降下または電流の流れの反作用を、確実に、可能な限り減らすことができる。
【0026】
関係式UMR=IMR・RMRが有効であることにより、半導体記憶装置内の電圧測定装置によって測定されたワード線とビット線との間の電圧UMR、または、記憶素子に印加された電圧が変化する。この変化は、記憶素子を通る電流IMRの変化および選択された記憶素子の磁気抵抗RMRの変化を伴うものである。しかし、これらの変化は、磁化の平行または反平行の方向に応じて、正確には同位相または逆相に変化する。したがって、二つの方向のそれぞれに対して、異なる電圧信号が生じる。また、これと類似した関係式が、電流測定装置を用いて(例えばビット線に沿って)、磁気抵抗記憶セルの記憶素子を通過する電流を測定する場合に、有効である。
【0027】
本発明を、図面に基づきながら実施例に沿って詳述する。図1は、記憶セルアレイの本発明に係る実施例を示す図である。図2(a)は、磁化軸と磁界との方向を示す記憶セルの平面図である。図2(b)は、設定可能性(磁化方向をどのように設定できるかということ)、および、本発明の軟磁性層の磁化のずれを示す斜視図である。図3は、軟磁性層の磁化に関して、変化する外部磁界の図(Abbildung)を示すグラフである。図4(a)は、ワード線に供給された交流電流を用いた、本発明の実施例を示す回路図である。図4(b)は、ワード線に印加された交流電圧を用いた、本発明の実施例を示す回路図である。図5は、硬磁性層の磁化の2つの方向を変えるために本発明にしたがってワード線に供給された交流電流から生じた、記憶素子において測定された交流電圧を示す、例証的なグラフである。
【0028】
半導体記憶装置2中の、ワード線8とビット線9との間に配置された記憶セル1の本発明の構造を、図1に示す。記憶セル1、または、トンネル磁気抵抗を有する記憶素子(TMR素子)は、硬質の強磁性層10、絶縁層12(つまりトンネル酸化物)、および、軟質の強磁性層11を含んでいる。磁化方向20・21は、影響を及ぼす磁界のない状態では、それぞれ、層に接続されたワード線またはビット線に対して平行である。ワード線8は、ビット線9に対して垂直に配置されている。したがって、磁化の実際の方向に沿った、硬質の強磁性層10および軟質の強磁性層11の弱い磁化軸30・31も、互いに垂直に位置している。
【0029】
また、情報は、硬質の強磁性層10の磁化方向によって格納されている。例えば、図2bでは、論理値「1」は左向きの方向に相当し、論理値「0」が右向きの方向に相当する。軟質の強磁性層11中の元々弱い磁化の方向21は、電流が流れていない場合には偶発的であり、記憶情報には差し当たり影響を及ぼさない。
【0030】
図2aの平面図に、交流電流源50からワード線8に流れた、記憶内容を読取るための交流電流Iの影響を、記憶セル1のうちの1つについて示す。この実施例では、ワード線8の方向をY座標とする。電流の流れIは、特に、平面図中のワード線8の下に配置された軟質の強磁性層11において、磁界H(ベクトル)を生成する。軟磁性層11の弱い磁化軸31がワード線8に対して平行であるので、磁界の方向は、弱い磁化軸に対して垂直である。外部磁界H(ベクトル)によって、軟磁性層の磁化方向21は、弱い磁化軸31の位置から角度φまでずれる。このことを図2bの右側の概略的な傾斜図に示す。
【0031】
図3に、検出層として機能している軟磁性層の強い磁化成分Mの、正弦波の形状の交流磁界H(ベクトル)への関係を、2つの側面について示す。第1の側面(太く示した正弦波曲線)では、磁界の振幅HX0は、軟磁性層の保磁力以下である(HX0≦HCW)。つまり、1軸の異方性の場合、異方性磁界の強さは同じである。また、磁化のずれの強さも、正弦波の形状をしている。
【0032】
第2の側面(細い線で示した正弦波曲線)では、HX0>HCWであり、磁化が飽和状態に達した結果、長方形の形状をした磁化形状が生じる。
【0033】
図4aに、実施例のTMRセルアレイの一部を概略的な回路図として示す。記憶装置中の情報を書き込むために、従来技術と同様に、十分な大きさで一定方向の直流電流パルスを、選択された素子において交差している配線を介して流す。書き込むためには、生じる磁界が硬磁性層の切り替えしきい値を超えている必要がある。
【0034】
選択された記憶セルの情報内容の読取りは、ワード線8を通り、一定振幅IY0を有する交流電流
=IY0・sin ωt
および、選択された記憶セルにおいて交差するワード線8とビット線9との間の電圧の解析(Analyse)によって行われる。選択されていない線は、交流電流源50、および、電圧測定装置を含んだ読取り電子装置から絶縁されている。
【0035】
電流Iによって、軟磁性層11の磁化方向21を調節した結果、同様に、軟磁性層11の磁化方向20と硬磁性層10の磁化方向21との間の角度が変化することにより、磁気抵抗RMRが正弦波の形状に変わる。例えば図4aの下端に示した回路の他の抵抗が適当な大きさである場合、記憶素子を介して実際に流れる電流IMRは、供給された電流Iと一定の関係にある。それゆえに、記憶素子で降下する電圧は、
MR=c・I・RMR
である。ここでは、C≒R/Rであり、これらの値の例を挙げれば、配線抵抗R≒1kΩおよび磁気抵抗の平均値R≒100kΩである。
【0036】
上述の方程式によって、
MR=c・IY0・sinωt・(R+(1/2)ΔR(1±sinωt))
MR=cIY0sinωt+(1/2)cIY0ΔRsinωt±(1/2)cIY0ΔRsinωt
MR=U+U+U
となる。この方程式には、以下の3つの電圧成分が加えられている。
【0037】
=±(c/4)・IY0・ΔR
=c・IY0(R+(1/2)ΔR)sinωt
=±(c/4)・IY0・ΔR・cos2ωt
これらは、一定の電圧寄与(Spannungsbeitrag, voltage contribution)U、基本波(Grundschwingung)U、および、第1調波(erste Oberwelle)Uである。直線ではない磁気抵抗から、整流効果が生じる。この整流効果によって、直流電圧成分Uが生じる。また、この直流電圧成分の符号(Vorzeichen)は、硬磁性記憶層10の磁化方向20、および格納された情報に応じて変化する。HXO≦HCWの場合の適切な適切な大きさの、時間と位相との関係を、図5に示す。
【0038】
記憶素子に印加された電圧UMRの振幅は、第1半周期(Halbperiode,half-cycles)と第2半周期とでは異なっている。このとき、生じた直流電圧成分の符号を、硬磁性記憶層10の磁化方向20によって決定する。このことは、図5の太くまたは薄く示した曲線から明らかである。
【0039】
より大きな磁界H(HCH>HX0>HCW)(HCHは、硬磁性層10の保磁力である)を供給すると、軟磁性層11の磁化方向21の磁化成分Mは、X方向(つまりビット線9の方向)に、飽和状態になる。次に、上述したように、磁化成分Mおよび磁気抵抗RMRの曲線が長方形の形状になる。この場合、信号を、より多くの調波に分解(zerlegen)できる。しかし、本発明にしたがって、この長方形の形状をした曲線または任意の周期的に現れる他の交流信号も評価できる。
【0040】
また、Uの符号を決定することにより、セルの情報内容を推論できることが有効である。平均セル抵抗Rおよび磁気抵抗効果ΔRを正確に認識する必要はない。本実施例では、検出に、図4aに示した電圧測定装置を利用する。
【0041】
また、電圧成分Uには、記憶セル1の記憶内容に関する情報は含まれていない。
【0042】
これに対して、基本波と比較して2つの(doppelten)周波数を有する第1調波Uは、同様に、硬磁性層10の磁化方向20に沿った符号を含んでいる。また、Uと同様に、平均セル抵抗Rおよび磁気抵抗効果ΔRを正確に認識する必要がない。本発明にしたがって、Iに関して符号または位相角を規定するには十分である。
【0043】
振幅IY0=1mAおよび比率(Verhaeltnis)ΔR/R=20%で供給された正弦波の形状をした交流電流によって、以下のような電圧成分の降下が生じる。
【0044】
=50mV
=1.1V
=50mV
したがって、検出される信号は、基本波の5%の大きさである。したがって、このような測定を技術的に簡単に実行できる。
【0045】
直流電圧成分Uの一部(Anteil)を、1つまたはわずかの振幅周期の測定時間の間に集積する(Integration)ことによって、交流電圧成分Uから分離する。または、これにより、直流電圧成分Uの一部(Anteil)を、総括信号(Gesamtsignal)UMRから導き出す。100Mhzの交流電流周波数では、本実施例の測定時間は、10ナノセカンドである。RCの配線を最小限にして、測定時間をさらに短く設計することができる。他方、集積時間を長くすることにより、信号対雑音比、つまり読取り確実性を上げることができる。さらに同様に、情報内容を読取るための電圧測定装置に、ローパスフィルター、増幅器、および/または、比較器を使用することが、この目的のために有効である。
【0046】
第1調波Uを、位相選択増幅(例えばいわゆるロックイン技術(Lock-in-Technik))によって検出できる。この技術によっても、信号対雑音比を上げることができる。
【0047】
図4bに、上述の実施例と類似した他の実施例に関して、電流測定装置61が記憶セルを通る電流を測定している間の、半導体記憶装置の概略的な回路図を示す。この回路図では、電圧源51が交流電圧をワード線8に印加する。電圧信号の場合と類似して、ここでも、図5のように、測定される電流信号用に、直流電流と、基本波と、調波とからなる電流項(Stromterme)が生じる。直流電流項または調波項には、硬磁性層10の磁化方向20に応じて符号が付いており(vorzeichenbehaftet)、この項を、この実施例では、上述の実施例と同じようにして読取る。続いて、総括信号UMRから例えば集積(Integration)、ローパスフィルター、比較器などによって導き出し、評価する。
【0048】
また、本発明の他の利点は、記憶セルアレイの抵抗マトリックス中の(in)記憶素子1を接続することによって、寄生効果を広範囲で防止するという点にある。シャント抵抗(Nebenschlusswiderstaende)を介した電流を、TMR素子の高い抵抗によって著しく低減する。
【0049】
要約すると、本発明に適用されるのは、以下のことである。つまり、半導体記憶装置2の記憶装置セルアレイでは、記憶素子、つまり磁気抵抗効果を有する記憶セル1の特徴は、弱い磁化軸30・31が交差する、硬磁性記憶層10および軟磁性検出層11にある。硬磁性層10の磁化軸30は、この層に接続された配線(例えばビット線9)に対して平行である。軟磁性層の磁化軸31は、この層に接続された配線(例えばワード線8)に対して平行である。それぞれ平行な配線を有するこれらの軸は、互いにほぼ垂直であることが好ましい。
【0050】
交流電圧源51または交流電流源50を介して、電圧信号または電流信号を、選択された各配線(例えばワード線8)に供給する。これにより、軟磁性層11の磁化方向21が、正弦波の形状で、弱い磁化軸31からずれる。この結果、供給された信号とともに、記憶セルの磁気抵抗も変わる。硬磁性層10の磁化方向20に応じて、信号および抵抗の、同相または逆相の重なり合いが生じる。これにより、信号からの成分として、例えば、符号の付いた直流電圧および第1調波を検出できる。この符号は、記憶情報を供給する。
【図面の簡単な説明】
【0051】
【図1】記憶セルアレイの本発明に係る実施例を示す図である。
【図2】(a)は磁化軸と磁界との方向を示す記憶セルの平面図であり、(b)は設定可能性、および、本発明の軟磁性層の磁化のずれを示す斜視図である。
【図3】軟磁性層の磁化に関して、変化する外部磁界の図(Abbildung)を示すグラフである。
【図4】(a)はワード線に供給された交流電流を用いた、本発明の実施例を示す回路図であり、(b)はワード線に印加された交流電圧を用いた、本発明の実施例を示す回路図である。
【図5】硬磁性層の磁化の異なる2つの方向付けを行うために本発明にしたがってワード線に供給された交流電流から生じた、記憶素子において測定された交流電圧を示す、例証的なグラフである。
【符号の説明】
【0052】
1 記憶セル、記憶素子
2 半導体記憶装置
8 ワード線
9 ビット線
10 硬磁性層
11 軟磁性層
12 絶縁層、トンネル酸化物
20 硬磁性層の磁化方向
21 軟磁性層の磁化方向
30 硬磁性層の磁化軸
31 軟磁性層の磁化軸
50 交流源
51 交流電圧源
60 電圧測定装置
61 電流測定装置
[0001]
The present invention relates to a semiconductor memory device in which magnetoresistive memory cells are arranged at intersections of word lines and bit lines, and a method and circuit structure for evaluating information contents of the memory cells. The magnetoresistive memory cell includes at least one first magnetic layer (ersten magnetischen Schicht) having one first magnetization axis, one insulating layer, and one second magnetic layer having one second magnetization axis. Consisting of
[0002]
Nonvolatile memory cells (also referred to as MRAM memory cells) having magnetoresistance typically comprise a stack of combinations of ferromagnetic materials and insulating layers located therebetween. This insulating layer is also called a tunnel dielectric. In this case, the memory effect is present in the electrical resistance of the memory cell or cells that can change the magnetization, ie the memory cell.
[0003]
Each layer of these ferromagnetic materials has one magnetization axis, and these magnetization axes are arranged in parallel to each other, so that each layer can set two magnetization directions. That is, the magnetization direction of the magnetic layer can be parallel or antiparallel depending on the magnetization state of the memory cell. Depending on these directions, the electrical resistance of the memory cell varies. In this case, if the magnetization direction is parallel, the electrical resistance of the memory cell is low, and if the magnetization direction is antiparallel, the resistance is high.
[0004]
Normally, the formation of these layers changes the magnetization state of only one of the two ferromagnetic layers due to the influence of the induced magnetic field, while the state of the other layer does not change over time (i.e. Function as the reference magnetization direction of the cell).
[0005]
The insulating layer may have a thickness of about 1 to 3 nm, for example. The conductivity of this layer system is mainly defined by the insulating layer tunneling effect of this layer system. As the thickness of the tunnel insulating layer changes, the conductivity changes significantly. This is because the thickness of the insulating layer affects the tunnel current almost exponentially.
[0006]
Writing to such a memory cell is performed using a current. For this purpose, the memory cell is formed so as to have two crossed conductors. These conductors are hereinafter referred to as word lines or bit lines. One of the above-mentioned stacks of magnetic layers and tunnel dielectric layers is provided at each conductor intersection. A current flows through both of these conductors, and this current forms one magnetic field in the stack. A magnetic field generated by overlapping these plural magnetic fields affects each magnetic layer. When the strength of each magnetic field is sufficiently large, the magnetizations of these magnetic layers exposed to the magnetic field are reversed.
[0007]
In addition, a plurality of reading methods for evaluating the contents of the memory cell can be considered. For example, the cell resistance can be directly evaluated (direkte Bewertung) and possibly followed by comparison with, for example, the reference resistance of another cell. In this case, however, a parameter variation is caused in which a difference in measured values of magnetoresistance is 10 to 20% or more depending on the thickness of the tunnel oxide of the adjacent cell.
[0008]
Alternatively, the direct reading can be switched. In this case, during current measurement to determine the memory cell resistance, this memory cell resistance is increased to perform magnetization reversal (that is, reprogramming) of the cell contents. In this case, when the magnetization state of the cell is known, if the current intensity is changed in order to change the resistance, the magnetization state is known until the current flows. The same is true when the current strength is not changed. However, when the voltage is low, a high cell resistance has the disadvantage that the expected change in current occurs only to a thousandth (ie, difficult to detect). However, this reading method is destructive in the first place. That is, if the resistance is changed, it is necessary to restore the memory cell contents before the read process.
[0009]
Another method (Moeglichkeit) is disclosed in DE 199 47 118 A1. In sequence, two voltages are each stored in the capacitor. These voltage values depend on the resistance of the memory cell before and after attempting programming or switching. These voltages can be compared, for example, in a differential amplifier, by defining them with specific other resistors, respectively. Only if the programming attempt is successful will the different voltages stored in the capacitors be obtained. In principle, however, there are also disadvantages here. That is, since it is a destructive reading method, it is necessary to rewrite the contents of the original storage device, and since re-reading is complicated, time and energy are wasted. In addition, this solution can reduce the parasitic effect due to the current through the unselected word and bit lines, but this inevitably limits the size of the cell array. Have
[0010]
Based on the above prior art, an object of the present invention is to provide a semiconductor memory device including a magnetoresistive memory cell and a driving method thereof. By using this method, the above inconvenience can be avoided. In particular, a memory cell or memory cell array can be evaluated so as to be fast, accurate and reliable while avoiding parasitic effects.
[0011]
This object is solved by a semiconductor memory device in which magnetoresistive memory cells are arranged at the intersections of word lines and bit lines. In the magnetoresistive memory cell, each of the magnetoresistive memory cells includes one first magnetic layer having one first magnetization axis, one second magnetic layer having one second magnetization axis, and And at least one insulating layer disposed between the layers. The magnetoresistive memory cell is characterized in that the first magnetic layer is made of a hard ferromagnetic material, the second magnetic layer is made of a soft ferromagnetic material, and the first magnetization axis and the second magnetization axis. Means that they intersect when projected onto the spreading surface of the word lines and bit lines. This object is solved by a method for driving a semiconductor memory device.
[0012]
Other aspects of the invention are indicated in the dependent claims.
[0013]
These magnetoresistive memory cells are a TMR (tunnel magnetoresistive) element, a GMR (giant magnetoresistive) element, or these arranged at the intersection of the word line and the bit line of the memory cell array, respectively. And similar storage elements. In accordance with the present invention, these elements include a hard magnetic layer and a soft magnetic layer separated from the hard magnetic layer by a thin tunnel oxide barrier, eg, an insulating layer. The characteristic of the hard ferromagnetic layer (hartmagnetische ferromagnetische Schicht) is that when the externally supplied magnetic field is turned off, there is residual magnetization (so-called residual magnetization), that is, there is magnetic hysteresis. In the point.
[0014]
Also, a soft ferromagnetic layer is defined by a small hysteresis curve (ie, only a small remanence and a corresponding small coercive field strength. Therefore, this layer is a hard magnetic layer in the present invention). It does not function as a storage layer that can be turned on and off by supplying a magnetic field (for example, passing a current through a word line and / or a bit line), and reads information stored in a hard magnetic layer (that is, this Function as a sensing layer for directing (residual) magnetization in the layer, very little remanent magnetization in the soft magnetic layer does not affect the read result, thus the external Stoerfelder Even if the magnetization of the soft magnetic layer is changed via the gap, it is preferable that it is not at all important (kaum eine Rolle spielen).
[0015]
These magnetic layers have uniaxial anisotropy (that is, their weak magnetization axes). In these layers, the actual magnetization direction shows the same direction as the axis along the axis, or the direction completely opposite to the axis. In accordance with the present invention, both axes of both layers intersect in a plane defined by the bit and word lines and are not parallel to each other as is conventional. These axes are preferably located perpendicular to each other. The magnetization axis of the soft magnetic layer is oriented so that the magnetization direction of this layer can be influenced, for example, by an external magnetic field induced by the current flow of the word line. Due to this influence, the magnetization direction of the soft magnetic layer stably disposed along the magnetization axis is shifted (that is, rotated). At this time, the magnetization direction forms an angle with the soft or hard magnetization axis indicating the unstable position (Konfiguration) of the magnetization.
[0016]
Therefore, in an effective form of the present invention, the magnetization axis of the soft magnetic layer is arranged substantially parallel to the connected word lines. An inclined arrangement is also possible. Only when the magnetization axis is arranged substantially perpendicular to the word line can the actual magnetization be prevented from shifting in the (zu) angle direction of the strong magnetization axis.
[0017]
It can be logically understood that the present invention functions even if the above-described bit line and word line functions are exchanged. This case is also included in the present invention.
[0018]
Uniaxial anisotropy of the storage layer is defined by the deposition / heat treatment in the magnetic field of the storage element and / or the shape of the storage element. In particular, no antiferromagnet (so-called pinning layer) is required.
[0019]
The effect of the present invention is based on the detection of various resistances of the memory element. This detection is performed when information content is read according to the magnetization direction of the hard magnetic layer when a change in the magnetic field that directly affects the magnetization direction of the soft magnetic layer occurs. This shifts the magnetization direction of the soft magnetic layer. To be precise, the magnetization direction of the soft magnetic layer is shifted in the parallel or antiparallel direction in accordance with the magnetization direction of the hard magnetic layer. In accordance with these mutual directions, the magnetoresistance of the element detected by current measurement or voltage measurement is changed.
[0020]
In another particularly advantageous form of the invention, the current flowing through the word line is varied with time, preferably as an alternating current having a sinusoidal shape. This current forms an alternating magnetic field (magnetisches Wechselfeld) parallel to the strong magnetization direction of the detection layer. As a result, the magnetization of the soft magnetic layer is shifted from the weak magnetization direction to the same phase as the magnetic field. The angle at this time may be 90 ° at the maximum when the magnetization axes of the soft magnetic layer and the word line are arranged in parallel.
[0021]
Since magnetization changes linearly with a strong magnetization direction and this change is not hysteresis, the magnetization of the soft magnetic layer and the external magnetic field are in phase. Similarly, the magnetization of the soft magnetic layer is less than the saturation magnetic field strength (coercive force, anisotropic magnetic field strength) and changes in the shape of a sine wave so as to oscillate, but the magnetic field exceeds this coercive force. When the amplitude is generated, it becomes saturated (see FIG. 3). As a result, a magnetized shape having a rectangular shape is generated. In addition, a signal curve with a rectangular shape can also be evaluated according to the invention, but the amplitude of the measured current or voltage signal can no longer be increased when a field amplitude above this coercivity occurs.
[0022]
Therefore, the magnetoresistance RMR also changes depending on the frequency of the alternating current.
[0023]
R MR = R 0 + (1/2) ΔR (1 ± cos α) = R 0 + (1/2) ΔR (1 ± sin φ)
The symbols + and-are two possible states of the magnetization direction of the hard magnetic layer. α is an angle between the magnetization direction of the hard magnetic layer and the magnetization direction of the soft magnetic layer. φ = (n / 2) −α is the phase angle of the external magnetic field. ΔR is the magnetization shows a difference in magnetic resistance in the direction as parallel direction state and antiparallel, the value is usually 10% to 30% of R MR.
[0024]
If the magnetic field amplitude of the alternating magnetic field (Wechselfeldes) is less than the coercivity of this layer, the stored information in the hard magnetic layer is reliably retained. The coercive force of the hard magnetic layer is much larger than that of the soft magnetic layer (in this case, it is preferable to select the magnetic field amplitude), and in the reading method of the present invention, the magnetic field affects the storage element. This condition can be easily realized.
[0025]
For reading, a varying voltage or a varying current is applied to, for example, the actually selected word line and the ground potential is selected using another resistance that is well selected and much lower than the magnetoresistance of the storage cell. Connect to (verbunden). The semiconductor memory device further includes an AC voltage source or an AC current source. By selecting other resistors, the voltage drop or current flow reaction at the storage element can be reliably reduced as much as possible with respect to the signal in the word line and storage element (auf).
[0026]
When the relational expression U MR = I MR · R MR is valid, the voltage U MR between the word line and the bit line measured by the voltage measuring device in the semiconductor memory device or applied to the memory element The voltage changes. This change is accompanied by a change in the current I MR through the storage element and a change in the magnetoresistance R MR of the selected storage element. However, these changes change in phase or in phase exactly depending on the parallel or antiparallel direction of magnetization. Thus, different voltage signals are generated for each of the two directions. Further, a relational expression similar to this is effective when a current passing through the memory element of the magnetoresistive memory cell is measured using a current measuring device (for example, along the bit line).
[0027]
The present invention will be described in detail according to embodiments with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing an embodiment according to the present invention of a memory cell array. FIG. 2A is a plan view of the memory cell showing the directions of the magnetization axis and the magnetic field. FIG. 2B is a perspective view showing the possibility of setting (how the magnetization direction can be set) and the magnetization shift of the soft magnetic layer of the present invention. FIG. 3 is a graph showing a diagram (Abbildung) of a changing external magnetic field with respect to the magnetization of the soft magnetic layer. FIG. 4A is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention using an alternating current supplied to a word line. FIG. 4B is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention using an alternating voltage applied to a word line. FIG. 5 is an illustrative graph showing the alternating voltage measured at the storage element resulting from the alternating current supplied to the word line in accordance with the present invention to change the two directions of magnetization of the hard magnetic layer. .
[0028]
The structure of the present invention of the memory cell 1 disposed between the word line 8 and the bit line 9 in the semiconductor memory device 2 is shown in FIG. The memory cell 1 or a memory element (TMR element) having a tunnel magnetoresistance includes a hard ferromagnetic layer 10, an insulating layer 12 (that is, a tunnel oxide), and a soft ferromagnetic layer 11. The magnetization directions 20 and 21 are parallel to the word lines or bit lines connected to the layers, respectively, in the absence of an influencing magnetic field. The word line 8 is arranged perpendicular to the bit line 9. Therefore, the weak magnetization axes 30 and 31 of the hard ferromagnetic layer 10 and the soft ferromagnetic layer 11 along the actual direction of magnetization are also perpendicular to each other.
[0029]
Information is stored by the magnetization direction of the hard ferromagnetic layer 10. For example, in FIG. 2b, the logical value “1” corresponds to the leftward direction, and the logical value “0” corresponds to the rightward direction. The originally weak magnetization direction 21 in the soft ferromagnetic layer 11 is accidental when no current is flowing and has no effect on the stored information for the time being.
[0030]
The plan view of FIG. 2 a shows the effect of the alternating current I Y flowing from the alternating current source 50 to the word line 8 for reading the stored contents for one of the memory cells 1. In this embodiment, the direction of the word line 8 is the Y coordinate. The current flow I Y generates a magnetic field H (vector) particularly in the soft ferromagnetic layer 11 disposed below the word line 8 in the plan view. Since the weak magnetization axis 31 of the soft magnetic layer 11 is parallel to the word line 8, the direction of the magnetic field is perpendicular to the weak magnetization axis. Due to the external magnetic field H (vector), the magnetization direction 21 of the soft magnetic layer is shifted from the position of the weak magnetization axis 31 to the angle φ. This is illustrated in the schematic tilt diagram on the right side of FIG.
[0031]
3, the strong soft magnetic layer functioning as a detection layer magnetization component M X, the relationship of the AC magnetic field H in the form of a sine wave (vector) are shown for the two sides. In the first aspect (thick sine wave curve), the magnetic field amplitude H X0 is less than or equal to the coercivity of the soft magnetic layer (H X0 ≦ H CW ). That is, in the case of uniaxial anisotropy, the strength of the anisotropic magnetic field is the same. Also, the strength of the magnetization shift has a sine wave shape.
[0032]
In the second side surface (sinusoidal curve shown by a thin line), H X0 > H CW and as a result of the magnetization reaching a saturation state, a magnetized shape having a rectangular shape is generated.
[0033]
FIG. 4a shows a schematic circuit diagram of a part of the TMR cell array of the embodiment. In order to write the information in the storage device, a DC current pulse of sufficient magnitude and in a certain direction is passed through the intersecting wires in the selected element, as in the prior art. In order to write, the generated magnetic field needs to exceed the switching threshold of the hard magnetic layer.
[0034]
The information content of the selected memory cell is read through the word line 8 and the alternating current I Y = I Y0 · sin ωt having a constant amplitude I Y0.
Further, the analysis is performed by analyzing the voltage between the word line 8 and the bit line 9 that intersect in the selected memory cell. The unselected lines are insulated from the alternating current source 50 and the reading electronics including the voltage measuring device.
[0035]
As a result of adjusting the magnetization direction 21 of the soft magnetic layer 11 by the current I Y , similarly, the angle between the magnetization direction 20 of the soft magnetic layer 11 and the magnetization direction 21 of the hard magnetic layer 10 is changed, so that the magnetic The resistance RMR changes to a sine wave shape. For example, when the other resistance of the circuit shown in the lower end of FIG. 4a is of an appropriate magnitude, the current I MR that actually flows through the memory element has a certain relationship with the supplied current I Y. Therefore, the voltage dropped at the storage element is
U MR = c · I Y · R MR
It is. Here, C≈R L / R 0 , and examples of these values are the wiring resistance R L ≈1 kΩ and the average value of magnetic resistance R 0 ≈100 kΩ.
[0036]
By the above equation,
U MR = c · I Y0 · sin ωt · (R 0 + (1/2) ΔR (1 ± sin ωt))
U MR = cI Y0 R 0 sin ωt + (1/2) cI Y0 ΔR sin ωt ± (1/2) cI Y0 ΔRsin 2 ωt
U MR = U 1 + U 2 + U 3
It becomes. The following three voltage components are added to this equation.
[0037]
U 1 = ± (c / 4) · I Y0 · ΔR
U 2 = c · I Y0 (R 0 + (1/2) ΔR) sin ωt
U 3 = ± (c / 4) · I Y0 · ΔR · cos 2ωt
These are the constant voltage contribution U 1 , the fundamental wave U 2 , and the first harmonic U 3 . A rectifying effect is generated from a magnetic resistance that is not linear. Due to this rectification effect, a DC voltage component U 1 is generated. The sign (Vorzeichen) of the DC voltage component changes according to the magnetization direction 20 of the hard magnetic storage layer 10 and the stored information. FIG. 5 shows the relationship between time and phase in an appropriate and appropriate size when H XO ≦ H CW .
[0038]
The amplitude of the applied voltage U MR in the storage element, a first half period (Halbperiode, half-cycles) and the second half period are different. At this time, the sign of the generated DC voltage component is determined by the magnetization direction 20 of the hard magnetic storage layer 10. This is apparent from the thick or thin curve in FIG.
[0039]
When a larger magnetic field H X (H CH > H X0 > H CW ) (H CH is the coercive force of the hard magnetic layer 10) is supplied, the magnetization component M X in the magnetization direction 21 of the soft magnetic layer 11 becomes X It becomes saturated in the direction (that is, the direction of the bit line 9). Next, as described above, the curve of the magnetization component M X and reluctance R MR is in the shape of a rectangle. In this case, the signal can be zerlegened into more harmonics. However, according to the invention, this rectangular shaped curve or any other alternating signal appearing periodically can also be evaluated.
[0040]
Moreover, by determining the sign of U 1, it is effective to be deduced the information content of the cell. It is not necessary to accurately recognize the average cell resistance R 0 and the magnetoresistive effect ΔR. In this embodiment, the voltage measuring device shown in FIG. 4a is used for detection.
[0041]
Further, the voltage component U 2 does not include information regarding the storage contents of the memory cell 1.
[0042]
On the other hand, the first harmonic U 3 having two (doppelten) frequencies compared to the fundamental wave similarly includes a code along the magnetization direction 20 of the hard magnetic layer 10. Further, like U 1 , it is not necessary to accurately recognize the average cell resistance R 0 and the magnetoresistance effect ΔR. In accordance with the present invention, it is sufficient to define a sign or phase angle with respect to I Y.
[0043]
An AC current in the form of a sine wave supplied with an amplitude I Y0 = 1 mA and a ratio (Verhaeltnis) ΔR / R 0 = 20% causes the following voltage component drop.
[0044]
U 1 = 50 mV
U 2 = 1.1V
U 3 = 50 mV
Therefore, the detected signal is 5% of the fundamental wave. Therefore, such a measurement can be technically easily performed.
[0045]
A DC voltage some of the components U 1 a (Anteil), by integrating (Integration) that during the measuring time of one or few amplitudes periods, separated from the AC voltage component U 2. Alternatively, a part (Anteil) of the DC voltage component U 1 is derived from the general signal (Gesamtsignal) U MR . At an alternating current frequency of 100 Mhz, the measurement time for this example is 10 nanoseconds. The measurement time can be further shortened by minimizing the RC wiring. On the other hand, by increasing the integration time, the signal-to-noise ratio, that is, the read reliability can be increased. Furthermore, it is useful for this purpose to use low-pass filters, amplifiers and / or comparators in the voltage measuring device for reading the information content.
[0046]
The first harmonic U 3 can be detected by phase selective amplification (eg, so-called Lock-in-Technik). This technique can also increase the signal-to-noise ratio.
[0047]
FIG. 4b shows a schematic circuit diagram of the semiconductor memory device while the current measuring device 61 is measuring the current through the memory cell for another embodiment similar to that described above. In this circuit diagram, the voltage source 51 applies an alternating voltage to the word line 8. Similar to the case of the voltage signal, a current term (Stromterme) including a direct current, a fundamental wave, and a harmonic is generated for the current signal to be measured as shown in FIG. The direct current term or the harmonic term is labeled according to the magnetization direction 20 of the hard magnetic layer 10 (vorzeichenbehaftet), and this term is read in this embodiment in the same manner as in the previous embodiment. Then, for example, integrated from overall signal U MR (Integration), a low-pass filter, derived by such comparators evaluate.
[0048]
Another advantage of the present invention is that it prevents parasitic effects in a wide range by connecting (in) storage elements 1 in the resistance matrix of the storage cell array. The current through the shunt resistor (Nebenschlusswiderstaende) is significantly reduced by the high resistance of the TMR element.
[0049]
In summary, the following applies to the present invention. That is, in the memory cell array of the semiconductor memory device 2, the memory element 1, that is, the memory cell 1 having the magnetoresistive effect is characterized by the hard magnetic memory layer 10 and the soft magnetic sensing layer 11 where the weak magnetization axes 30 and 31 intersect is there. The magnetization axis 30 of the hard magnetic layer 10 is parallel to the wiring (for example, the bit line 9) connected to this layer. The magnetization axis 31 of the soft magnetic layer is parallel to the wiring (for example, the word line 8) connected to this layer. These axes, each having parallel wiring, are preferably substantially perpendicular to each other.
[0050]
A voltage signal or a current signal is supplied to each selected wiring (for example, word line 8) via the AC voltage source 51 or the AC current source 50. Thereby, the magnetization direction 21 of the soft magnetic layer 11 is deviated from the weak magnetization axis 31 in the shape of a sine wave. As a result, the magnetoresistance of the memory cell changes with the supplied signal. Depending on the magnetization direction 20 of the hard magnetic layer 10, in-phase or anti-phase overlap of the signal and resistance occurs. Thereby, for example, a signed DC voltage and a first harmonic can be detected as components from the signal. This code provides stored information.
[Brief description of the drawings]
[0051]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a memory cell array according to the present invention.
FIG. 2A is a plan view of a memory cell showing directions of a magnetization axis and a magnetic field, and FIG. 2B is a perspective view showing a setting possibility and magnetization deviation of a soft magnetic layer of the present invention. is there.
FIG. 3 is a graph showing a diagram (Abbildung) of an external magnetic field that changes with respect to the magnetization of a soft magnetic layer.
4A is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention using an alternating current supplied to a word line, and FIG. 4B is a circuit diagram illustrating an embodiment of the present invention using an alternating voltage applied to a word line. It is a circuit diagram which shows the Example of.
FIG. 5 is an illustrative graph showing the alternating voltage measured at a storage element resulting from an alternating current applied to a word line in accordance with the present invention to provide two different orientations of the magnetization of a hard magnetic layer. It is.
[Explanation of symbols]
[0052]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Memory cell, Memory element 2 Semiconductor memory device 8 Word line 9 Bit line 10 Hard magnetic layer 11 Soft magnetic layer 12 Insulating layer, tunnel oxide 20 Magnetization direction 21 of hard magnetic layer Magnetization direction 30 of soft magnetic layer Magnetization axis 31 Magnetization axis of soft magnetic layer 50 AC source 51 AC voltage source 60 Voltage measuring device 61 Current measuring device

Claims (23)

磁気抵抗記憶セル(1)がワード線(8)とビット線(9)との交差点に配置された、半導体記憶装置(2)であって、上記磁気抵抗記憶セルには、第1磁化軸(30)を有する少なくとも1つの第1磁性層(10)と、第2磁化軸(31)を有する第2磁性層(11)と、それらの層の間に配置された絶縁層(12)とが含まれている、半導体記憶装置(2)において、
硬質の強磁性材料から形成されている、第1磁性層(10)と、
軟質の強磁性材料から形成されている、第2磁性層(11)と、
第1磁化軸(30)と第2磁化軸(31)とは、ワード線(8)およびビット線(9)の広がる面に投影すると交差していることを特徴とする、半導体記憶装置(2)。
A magnetoresistive memory cell (1) is a semiconductor memory device (2) arranged at an intersection of a word line (8) and a bit line (9), and the magnetoresistive memory cell has a first magnetization axis ( 30) at least one first magnetic layer (10), a second magnetic layer (11) having a second magnetization axis (31), and an insulating layer (12) disposed between these layers. In the semiconductor memory device (2) included,
A first magnetic layer (10) formed of a hard ferromagnetic material;
A second magnetic layer (11) formed of a soft ferromagnetic material;
The semiconductor memory device (2), wherein the first magnetization axis (30) and the second magnetization axis (31) intersect each other when projected onto the spreading surface of the word line (8) and the bit line (9). ).
上記磁気抵抗が、層材料を組み合わせたトンネル磁気抵抗(TMR)効果に基づいていることを特徴とする、請求項1に記載の半導体記憶装置(2)。The semiconductor memory device (2) according to claim 1, characterized in that the magnetoresistance is based on a tunnel magnetoresistance (TMR) effect combining layer materials. 上記磁気抵抗が、層材料を組み合わせた巨大磁気抵抗(GMR)効果に基づいていることを特徴とする、請求項1に記載の半導体記憶装置。The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the magnetoresistance is based on a giant magnetoresistance (GMR) effect obtained by combining layer materials. 上記第2磁性層(11)の第2磁化軸(31)が、ワード線(8)またはビット線(9)のうちの第1線に対してほぼ平行に配置されていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体記憶装置(2)。The second magnetization axis (31) of the second magnetic layer (11) is arranged substantially parallel to the first line of the word line (8) or the bit line (9). The semiconductor memory device (2) according to any one of claims 1 to 3. 上記第1磁性層(10)の第1磁化軸(30)が、第2磁化軸(31)に対してほぼ垂直に配置されていることを特徴とする、請求項4に記載の半導体記憶装置。5. The semiconductor memory device according to claim 4, wherein the first magnetization axis (30) of the first magnetic layer (10) is arranged substantially perpendicular to the second magnetization axis (31). . 請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体記憶装置(2)において、
上記磁気抵抗記憶セル(1)のうちの少なくとも1つの情報内容を評価するための回路構造が、
ワード線(8)を介して記憶セル(1)に接続されている交流電流源(50)と、
電圧測定用に、ワード線(8)に、および、ビット線(9)を介して記憶セル(1)に、接続されている電圧測定装置(60)とを含んでおり、
磁気抵抗を有する記憶セル(1)が、ワード線(8)とビット線(9)との間に接続されていることを特徴とする、半導体記憶装置。
In the semiconductor memory device (2) according to any one of claims 1 to 5,
A circuit structure for evaluating the information content of at least one of the magnetoresistive memory cells (1),
An alternating current source (50) connected to the memory cell (1) via a word line (8);
A voltage measuring device (60) connected to the word line (8) and to the memory cell (1) via the bit line (9) for voltage measurement;
A semiconductor memory device, wherein a memory cell (1) having a magnetic resistance is connected between a word line (8) and a bit line (9).
上記交流電流源(50)に接続されたワード線(8)が、他の抵抗を介してグラウンド電位に接続されており、
上記磁気抵抗記憶セルの抵抗が、他の抵抗以上の大きさであることを特徴とする、請求項6に記載の半導体記憶装置(2)。
The word line (8) connected to the alternating current source (50) is connected to the ground potential via another resistor,
The semiconductor memory device (2) according to claim 6, wherein the resistance of the magnetoresistive memory cell is larger than that of other resistors.
上記ワード線(8)が、配線抵抗を有しており、
上記他の抵抗の値が、配線抵抗以上の値であることを特徴とする、請求項7に記載の半導体記憶装置(2)。
The word line (8) has a wiring resistance,
8. The semiconductor memory device (2) according to claim 7, wherein a value of the other resistor is a value equal to or greater than a wiring resistance.
上記電圧測定装置(60)が、直流電圧成分を検出するための装置を含んでいることを特徴とする、請求項6〜8のいずれか1項に記載の半導体記憶装置(2)。9. The semiconductor memory device (2) according to any one of claims 6 to 8, wherein the voltage measuring device (60) includes a device for detecting a DC voltage component. 直流電圧成分を検出するための装置が、ローパスフィルター、増幅器、比較器、および、集積装置からなる群の素子のうちの少なくとも1つを含んでいることを特徴とする、請求項9に記載の半導体記憶装置(2)。The device for detecting a DC voltage component comprises at least one member of a group consisting of a low pass filter, an amplifier, a comparator, and an integrated device. Semiconductor memory device (2). 上記電圧測定装置(60)が、電圧の調波を位相選択的に測定するための装置を含んでいることを特徴とする、請求項6〜10のいずれか1項に記載の半導体記憶装置(2)。11. The semiconductor memory device (1) according to any one of claims 6 to 10, characterized in that the voltage measuring device (60) includes a device for phase-selectively measuring voltage harmonics. 2). 請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体記憶装置(2)において、
上記磁気抵抗記憶セル(1)のうちの少なくとも1つの情報内容を評価するための回路構造が、
ワード線(8)を介して記憶セル(1)に接続されている交流電圧源(51)と、
上記電流の流れを測定するために、ビット線(9)とグラウンド電位との間に接続されている電流測定装置(61)とを含んでおり、
磁気抵抗を有する記憶セル(1)が、ワード線(8)とビット線(9)との間に接続されていることを特徴とする、半導体記憶装置(2)。
In the semiconductor memory device (2) according to any one of claims 1 to 5,
A circuit structure for evaluating the information content of at least one of the magnetoresistive memory cells (1),
An alternating voltage source (51) connected to the memory cell (1) via the word line (8);
A current measuring device (61) connected between the bit line (9) and the ground potential for measuring the current flow;
A semiconductor memory device (2), wherein a memory cell (1) having a magnetic resistance is connected between a word line (8) and a bit line (9).
上記交流電圧源(51)に接続されたワード線(8)が、他の抵抗を介してグラウンド電位に接続されており、
上記記憶セルの磁気抵抗が、他の抵抗以上の大きさであることを特徴とする、請求項12に記載の半導体記憶装置(2)。
The word line (8) connected to the AC voltage source (51) is connected to the ground potential via another resistor,
13. The semiconductor memory device (2) according to claim 12, wherein the magnetic resistance of the memory cell is larger than that of other resistances.
上記ワード線(8)が、配線抵抗を有しており、
上記他の抵抗が、配線抵抗の値以上であることを特徴とする、請求項13に記載の半導体記憶装置(2)。
The word line (8) has a wiring resistance,
14. The semiconductor memory device (2) according to claim 13, wherein the other resistance is equal to or greater than a wiring resistance value.
上記電流測定装置(61)が、直流電流成分を検出するための装置を含んでいることを特徴とする、請求項12〜14のいずれか1項に記載の半導体記憶装置(2)。15. The semiconductor memory device (2) according to any one of claims 12 to 14, wherein the current measuring device (61) includes a device for detecting a direct current component. 直流電流成分を検出するための装置が、ローパスフィルター、増幅器、比較器、および、集積装置からなるグループの素子のうちの少なくとも1つを含んでいることを特徴とする、請求項15に記載の半導体記憶装置(2)。16. The apparatus of claim 15, wherein the apparatus for detecting a direct current component includes at least one of a group of elements consisting of a low pass filter, an amplifier, a comparator, and an integrated device. Semiconductor memory device (2). 上記電流測定装置(61)が、電流流れ調波を位相選択的に測定するための装置を含んでいることを特徴とする、請求項12〜16のいずれか1項に記載の半導体記憶装置。17. The semiconductor memory device according to claim 12, wherein the current measuring device (61) includes a device for measuring current flow harmonics in a phase selective manner. 上記磁気抵抗記憶セル(1)のうちの少なくとも1つの情報内容を評価するための、請求項1〜17のいずれか1項に記載の半導体記憶装置(2)の駆動方法であって、
一定周波数および振幅を有する交流電流または交流電圧を、評価される記憶セル(1)に接続されたワード線(8)に供給するステップと、
a)磁気抵抗を有する記憶セル(1)の積層(10・11・12)を介した電流の流れの強さから、電流測定装置(61)を用いて、
b)または、ビット線(9)とワード線(8)との間の電圧から、電圧測定装置(60)を用いて、
導き出される信号を、測定時間の間に測定するステップと、
上記測定時間の間の信号曲線に応じて、記憶セル(1)の情報内容を評価するステップとを含んだ方法。
18. The method of driving a semiconductor memory device (2) according to any one of claims 1 to 17, for evaluating the information content of at least one of the magnetoresistive memory cells (1),
Supplying an alternating current or alternating voltage having a constant frequency and amplitude to a word line (8) connected to the storage cell (1) to be evaluated;
a) From the strength of the current flow through the stack (10, 11, 12) of the memory cells (1) having magnetoresistance, the current measuring device (61) is used.
b) Or, from the voltage between the bit line (9) and the word line (8), using the voltage measuring device (60),
Measuring the derived signal during a measurement time;
Evaluating the information content of the memory cell (1) as a function of the signal curve during the measurement time.
請求項18に記載の方法において、
上記電流測定装置(61)または電圧測定装置(60)を用いた測定によって導き出された信号が、測定された交流電流曲線または交流電圧曲線の、直流電流成分または直流電圧成分を含み、
上記直流電流成分または直流電圧成分の符号に応じて評価を行うことを特徴とする方法。
The method of claim 18, wherein
The signal derived by the measurement using the current measuring device (61) or the voltage measuring device (60) includes a DC current component or a DC voltage component of the measured AC current curve or AC voltage curve,
The evaluation is performed according to the sign of the DC current component or DC voltage component.
請求項18または19に記載の方法において、
上記電流測定装置(61)または電圧測定装置(60)を用いた測定によって導き出された信号が、供給された交流電流周波数または交流電圧周波数の2倍の(mit dem Zweifachen)周波数を有する、交流電流曲線または交流電圧曲線の第1調波を含んでおり、
所定の位相の場合、調波の符号に応じて評価を行うことを特徴とする方法。
The method according to claim 18 or 19, wherein
AC current in which the signal derived from the measurement using the current measuring device (61) or the voltage measuring device (60) has a frequency that is twice the supplied AC current frequency or AC voltage frequency (mit dem Zweifachen) Including the first harmonic of the curve or AC voltage curve,
In the case of a predetermined phase, the evaluation is performed according to the sign of the harmonic.
位相選択的なロックイン技術を使用することを特徴とする、請求項20に記載の方法。The method according to claim 20, characterized in that a phase selective lock-in technique is used. 上記測定時間が、20ナノセカンドよりも短いことを特徴とする、請求項18〜21のいずれか1項に記載の方法。The method according to any one of claims 18 to 21, characterized in that the measurement time is shorter than 20 nanoseconds. 上記交流電流周波数または交流電圧周波数が、100メガヘルツよりも高いことを特徴とする、請求項18〜22のいずれか1項に記載の方法。The method according to any one of claims 18 to 22, characterized in that the alternating current frequency or alternating voltage frequency is higher than 100 megahertz.
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